一种硬件在环的在线开放实践教学系统技术方案

本发明专利技术公开一种硬件在环的在线开放实践教学系统，包括底层硬件开发环境、中间服务层以及上层应用层；底层硬件开发环境包括硬件开发平台、外围模块池和FPGA动态切换开关；中间服务层包括系统服务器、云桌面服务器、USB服务器、交换机、路由器；上层应用层包括系统客户端、云桌面终端。本发明专利技术通过将实体硬件设备融入在线实践教学，拉近学生与硬件实验平台的距离，拉长学生可利用硬件实验平台的时间，实现硬件实践教学平台的资源共享，提高硬件资源利用率、提升学生创新实践能力，为开展计算机硬件类课程的混合式实践教学提供支撑。件类课程的混合式实践教学提供支撑。件类课程的混合式实践教学提供支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种硬件在环的在线开放实践教学系统


[0001]本专利技术涉及半实物虚拟仿真实践教学
，尤其涉及一种硬件在环的在线开放实践教学系统。

技术介绍

[0002]实践教学是培养大学生创新创业能力的有效手段，实践教学的顺利开展依赖于实践教学平台的建设。对于嵌入式系统等计算机硬件类课程来说，由先进硬件环境构建的实践教学平台，是体现一流课程高阶性、创新性，以及挑战度的重要指标。然而，硬件实践教学平台的建设投入大，建成后一般只供该校内选择相关课程的学生在规定时间内使用，利用效率较低的问题。
[0003]针对实践教学资源有限、缺乏开放与共享机制、资源利用率不高等问题，国内外高校建设了一批虚拟仿真实验室和实验平台，支持远程线上实践教学活动的开展。虚拟仿真实验环境的构建主要分为纯软件实现和虚实相结合两种方式。目前计算机硬件类课程的虚拟仿真实验环境大都采用纯软件实现的方式，虽然共享性很好，但实验过程、实验体验等与真实环境差距较大，学生难以获得真实的硬件实践经验。也有部分院校开始探索虚实结合的方式，主要分为两种形式：一是实际硬件与虚拟仿真系统相互独立，虽然将真实的硬件与虚拟的训练模拟平台相结合，但是相互之间不具备联动的功能；二是实际硬件与虚拟仿真系统融合联动，能够实现控制器硬件与过程仿真系统的结合与联动，但其实验数据的产生仍依赖于虚拟仿真环境，并不体现真实对象的实际行为。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述问题，提出一种硬件在环的在线开放实践教学系统，通过将实体硬件设备融入在线实践教学，拉近学生与硬件实验平台的距离，拉长学生可利用硬件实验平台的时间，实现硬件实践教学平台的资源共享，提高硬件资源利用率、提升学生创新实践能力，为开展计算机硬件类课程的混合式实践教学提供支撑。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种硬件在环的在线开放实践教学系统，包括底层硬件开发环境、中间服务层以及上层应用层；底层硬件开发环境包括硬件开发平台、外围模块池和FPGA动态切换开关；中间服务层包括系统服务器、云桌面服务器、USB服务器、交换机、路由器；上层应用层包括系统客户端、云桌面终端。
[0006]进一步地，所述云桌面服务器上安装有开发软件、实验教学管理系统，所述开发软件包括开发的配置软件。
[0007]进一步地，所述外围模块池为各种嵌入式系统硬件实验资源，所述硬件实验资源包括核心板、外围模块。
[0008]进一步地，所述云桌面终端上安装有3D可视化引擎，所述3D可视化引擎用于将包
括各种嵌入式系统硬件实验资源在内的设备全景呈现。
[0009]进一步地，还包括摄像头模块，所述摄像头模块用于实时获取核心板的实验现象并利用网络传输到系统客户端，使用户能够实时观测实验结果，实现实验现象的线上与线下联动。
[0010]进一步地，所述实验教学管理系统采用多种数据库做底层支持，通过建立持久层、业务层和表示层，实现对实验全过程的监控和管理，并通过数据统计分析教学效果。
[0011]进一步地，所述系统服务器和云桌面服务器均为服务器集群，各系统服务器之间、各云桌面服务器之间均通过交换机和USB服务器相连，USB服务器通过路由器和硬件开发平台和FPGA动态切换开关相连，云桌面服务器通过交换机和摄像头模块相连。
[0012]进一步地，采用基于FPGA的硬件动态配置策略控制FPGA动态切换开关，所述硬件动态配置策略包括：对核心板与外围模块之间的信号按照单向数字信号、双向数字信号、模拟信号进行分类，并根据分类设计相应的辅助电路，实现仅需要修改FPGA的逻辑就可实现外围模块连接与断开的目的；核心板与外围模块之间以FPGA配置板为桥梁，利用3D可视化引擎中用户定义的连接关系，生成FPGA配置逻辑电路，并透明化的下载到FPGA中，达到动态灵活配置的目的。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术的一种硬件在环的在线开放实践教学系统，通过将实体硬件设备融入在线实践教学，拉近学生与硬件实验平台的距离，拉长学生可利用硬件实验平台的时间，实现硬件实践教学平台的资源共享，提高硬件资源利用率、提升学生创新实践能力，为开展计算机硬件类课程的混合式实践教学提供支撑。
附图说明
[0014]图1为本专利技术实施例一种硬件在环的在线开放实践教学系统的架构示意图；图2为本专利技术实施例线上线下联动框架；图3为本专利技术实施例基于FPGA的多模块动态切换；图4为本专利技术实施例实验教学管理系统的架构示意图。
具体实施方式
[0015]下面结合附图和具体的实施例对本专利技术做进一步的解释说明：如图1所示，一种硬件在环的在线开放实践教学系统，其主要由底层硬件开发环境、中间服务层以及上层应用层组成。底层硬件开放环境由硬件开发平台、外围模块池和FPGA动态切换开关组成；中间服务层包含系统服务器、云桌面服务器和USB服务器、交换机、路由器等；上层应用层包含了系统客户端、云桌面终端等。该系统支持多用户同时在线和大量用户争用资源排队，实现嵌入式系统实验教学管理系统与外围模块之间的透明化配置连接，完成远程实验线上操作到实体设备之间的投射。
[0016]进一步地，所述云桌面服务器上安装有开发软件、实验教学管理系统，所述开发软件包括开发的配置软件。
[0017]进一步地，所述外围模块池为各种嵌入式系统硬件实验资源，所述硬件实验资源包括核心板、外围模块。
[0018]进一步地，所述云桌面终端上安装有3D可视化引擎，所述3D可视化引擎用于将包括各种嵌入式系统硬件实验资源在内的设备全景呈现。
[0019]进一步地，还包括摄像头模块，所述摄像头模块用于实时获取核心板的实验现象并利用网络传输到系统客户端，使用户能够实时观测实验结果，实现实验现象的线上与线下联动。
[0020]进一步地，所述实验教学管理系统采用多种数据库做底层支持，通过建立持久层、业务层和表示层，实现对实验全过程的监控和管理，并通过数据统计分析教学效果。
[0021]进一步地，所述系统服务器和云桌面服务器均为服务器集群，各系统服务器之间、各云桌面服务器之间均通过交换机和USB服务器相连，USB服务器通过路由器和硬件开发平台和FPGA动态切换开关相连，云桌面服务器通过交换机和摄像头模块相连。
[0022]进一步地，采用基于FPGA的硬件动态配置策略控制FPGA动态切换开关，所述硬件动态配置策略包括：对核心板与外围模块之间的信号按照单向数字信号、双向数字信号、模拟信号进行分类，并根据分类设计相应的辅助电路，实现仅需要修改FPGA的逻辑就可实现外围模块连接与断开的目的；核心板与外围模块之间以FPGA配置板为桥梁，利用3D可视化引擎中用户定义的连接关系，生成FPGA配置逻辑电路，并透明化的下载到FPGA中，达到动态灵活配置的目的。
[0023]具体地，在使用该系统时，用户在本地电脑登录系统客户端，根据实验需求，利用3D可视化引擎选取对应的核心板及调试通道，并在外围模块池中选择合适的功能外设，通过远程动态控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硬件在环的在线开放实践教学系统，其特征在于，包括底层硬件开发环境、中间服务层以及上层应用层；底层硬件开发环境包括硬件开发平台、外围模块池和FPGA动态切换开关；中间服务层包括系统服务器、云桌面服务器、USB服务器、交换机、路由器；上层应用层包括系统客户端、云桌面终端。2.根据权利要求1所述的一种硬件在环的在线开放实践教学系统，其特征在于，所述云桌面服务器上安装有开发软件、实验教学管理系统，所述开发软件包括开发的配置软件。3.根据权利要求1所述的一种硬件在环的在线开放实践教学系统，其特征在于，所述外围模块池为各种嵌入式系统硬件实验资源，所述硬件实验资源包括核心板、外围模块。4.根据权利要求3所述的一种硬件在环的在线开放实践教学系统，其特征在于，所述云桌面终端上安装有3D可视化引擎，所述3D可视化引擎用于将包括各种嵌入式系统硬件实验资源在内的设备全景呈现。5.根据权利要求3所述的一种硬件在环的在线开放实践教学系统，其特征在于，还包括摄像头模块，所述摄像头模块用于实时获取核心板的实验现象并利用网络传输到系统客户端，使用户能够实时观测实验结果，实现实验现象的线上与线下联动。6.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙浩楠，井靖，娄睿，唐永鹤，王奕森，刘威，朱兵，计江安，林键，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：